前沿材料科学

前沿材料科学任课教师：张鹏单位：机电学院材料所前沿材料科学学时数：32学分数：2.0一、课程的目的：了解复合材料科学、纳米科学、超导科学、半固态加工科学、超声加工科学、激光加工科学等先进材料科学的基本原理、基础理论、技术方法、主要特点与应用等内容对前沿材料科学体系形成较为系统的认识二、课程教学内容：共分6章第一章复合材料科学内容：介绍复合材料科学的基本情况，包括复合材料的基本概念、特点、研究方法和加工技术等内容目的：了解复合材料科学的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第二章纳米科学内容：介绍纳米科学的基本情况，包括纳米技术的基本概念、特点、加工技术等内容目的：了解纳米科学的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第三章超导科学内容：介绍超导科学的基本情况，包括超导科学的基本概念、特点、研究方法等内容目的：了解超导科学的产生、发展和应用第四章半固态加工科学内容：介绍半固态加工科学的基本情况，包括半固态加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：了解半固态加工的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第五章超声加工科学内容：介绍超声加工科学的基本情况，包括超声加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：了解超声加工的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第六章激光加工科学内容：介绍激光加工科学的基本情况，包括激光加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：了解激光加工的产生、发展和应用主要教学参考书：1.复合材料及其应用技术/汤佩钊编著，重庆大学出版社，19982.功能材料与纳米技术/李玲、向航编著，化学工业出版社，20023.半固态金属加工技术及其应用/谢水生、黄声宏编著，冶金工业出版社，19994.现代加工技术/张辽远编著，机械工业出版社，2002考核方式：提交报告（3~5人一组）课程宗旨：不是负担，轻松学习，获得知识三、前沿科学及其交叉石器时代→青铜器时代→铁器时代→现代中国目前就有960多个重点学科这些学科就象金字塔一样，以雄厚的基础支撑着活跃在科技领域的前沿学科复合材料科学、半固态加工科学和超声振动科学及其交叉1复合材料科学及其交叉二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求，传统材料力不从心，复合材料应运而生二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉1.1复合材料科学与声学科学的交叉科技难题：军事装备的隐身问题利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料特点：可吸收不同频率的声波和电磁波导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世美国隐形轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌1.2复合材料科学与纳米加工科学的交叉二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化科技难题：高温陶瓷复合材料的烧结问题特性之一：熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点1064℃→33℃将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中，可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料1.3复合材料科学与磁学科学的交叉本世纪初，美国科学家理查德.波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域科技难题：磁悬浮问题利用铁、硼、钕等材料制备了超级磁性复合材料特点：产生的磁场全部指向同一方向，无需电力就可将列车悬浮起来在美国航空航天局的资助下，磁悬浮列车的速度达到了640km/h半固态加工处于固液二相区，可利用挤压手段将含有杂质的液体挤出，留下初生纯固相，然后再从新进行半固态挤压，进一步提纯，这样一次一次地提纯，最后就可获得超纯材料半固态加工与超纯材料研究学科的交叉科技难题：超纯材料的制备问题日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度为15个9的半导体材料2半固态加工科学及其交叉二十世纪七十年代初期MIT的Flemings教授提出半固态加工思想3超声振动科学及其交叉二十世纪六十年代，Merchant提出需要更新加工观念，于是人们开始探索采用除机械能以外的能量进行加工，这样就逐渐形成了将超声振动加工技术超声振动科学与冶金科学交叉超声振动的乳化作用可使异种材料均匀地混合在一起，将超声振动与冶金学科交叉，可明显改善材料尤其是组分物性差别大的合金、复合材料的组织，形成组织均匀的高性能材料科技难题：组分物性差别大材料的偏析问题图0-1铝铅合金未处理组织经处理组织从上述前沿科学及其交叉的介绍可见，前沿科学交叉一方面拓宽了其本身研究领域，另一方面也给其它科学带来了勃勃生机，成功地解决了各领域中存在的难题，使得现代科技产生了史无前例的飞跃。第一章复合材料科学二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求，耐高温、高强度、轻量化等§1.1复合材料的基本概念、特点内容：介绍复合材料的基本概念、特点、研究方法和加工技术等内容传统材料：复合材料大量涌现钢铁、水泥和木材力不从心复合材料：由二种或二种以上材料组合的新材料，其中含量多的称为基体，含量少的称为添加体组合方式：宏观-结构复合体、层合板微观-混合体、合金1.1.1复合材料概念特点：具有相补效应，即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点，形成优异的综合性能形成了系统的复合材料科学，已经开发出2000多种复合材料1.1.2复合材料特点§1.2复合材料的分类、研究方法按性能高低分：常用复合材料先进复合材料1.21复合材料的分类常用复合材料:常规领域中使用的复合材料，如混凝土、合金钢等先进复合材料:前沿领域中使用的复合材料，航空航天、军事、高科技领域用复合材料，碳纤维增强环氧树脂、开夫拉层压板、铜-二硼化钛复合材料按用途分：结构复合材料功能复合材料结构复合材料：用于完成各种结构功能的复合材料，对力学性能要求高，镁合金手机外壳功能复合材料：用于实现各种功能的复合材料，如电、磁、光、热、摩擦、振动等电：钇、钡、铜、氧系和铋、锶、钙、铜、氧系超导复合材料，130K，超导计算机，超导无声推进系统，航天飞机自动升空按基体分：金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料光：热：70年，美康宁公司，非氧化物玻璃光导纤维，成分为氟化物-氟化锆、氟化钡、氟化钠多元氟化锆酸盐，光损耗极低0.16分贝/千米，3.6%固体气凝胶，由96%的空气和4%的二氧化硅、二氧化铝与碳制成，密度最小的固体材料，隔热金属基复合材料：以金属（铝合金、金属间化合物）为基体的各种复合材料。如颗粒增强铝基复合材料，颗粒体积分数一般不超过25%，性能比原基体明显提高。20%碳化硅颗粒增强6061铝合金，强度310MPa→496MPa，模量68GPa→103GPa，断裂伸长率12%→5.5%，耐磨性、尺寸稳定性、耐热性有很大改善。陶瓷基复合材料：是以陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷为基体的复合材料。如碳化硅纤维补强氮化硅陶瓷复合材料，耐热性好，用于制备1350℃左右的高温叶片。气敏陶瓷（二氧化锡等）；压电陶瓷；超导陶瓷；生物陶瓷等。如玻璃钢（玻璃纤维增强塑料），强度是钢的3~4倍，密度为1/4~1/16；导电塑料等。按添加体分：颗粒复合材料，如铜石墨受电弓滑板层片复合材料，如钢铝合金层合板纤维复合材料，如碳纤维增强塑料聚合物基复合材料：是聚合物为基体的复合材料。1.2.2复合材料的研究最突出：界面研究和可靠性研究。界面研究：界面的表征、界面设计的优化、界面改性、界面残余应力行为可靠性研究：组分、加工工艺来保证可靠性以及可靠性的评价、检测和监控。§1.3复合材料的加工技术1.粉末冶金技术将添加体粉末和基体粉末混合，按常规粉末冶金方法加工。特点：工艺和制品质量容易控制，成本较高。2.液相复合技术将添加体和基体熔体进行混合，按常规加工方法进行加工。混合方法：机械搅拌、雾化喷射沉淀等。3.其它技术气相浸渗技术：将材料放入气体中进行反应形成复合材料。原位生长技术：将材料放入固体或液体中进行反应形成复合材料。§1.4复合材料科学与其它科学的交叉二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉复合材料科学与声学科学的交叉科技难题：军事装备的隐身问题利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料特点：可吸收不同频率的声波和电磁波导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世美国F-117轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌复合材料科学与纳米加工科学的交叉二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化科技难题：高温陶瓷复合材料的烧结问题特性之一：熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点1064℃→33℃将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中，可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料复合材料学科与磁学学科的交叉解决科技难题：磁悬浮问题本世纪初，美国科学家理查德.波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域，利用铁、硼、钕等材料制备了超级磁性复合材料特点：产生的磁场全部指向同一方向，无需电力就可将列车悬浮起来在美国航空航天局的资助下，磁悬浮列车的速度达到了640km/h。.§1.5小结一、复合材料概念复合材料：由二种或二种以上材料组合的新材料，其中含量多的称为基体，含量少的称为添加体。二、复合材料特点具有相补效应，即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点，形成优异的综合性能。三、复合材料的分类按性能高低分：常用复合材料、先进复合材料；按用途分：结构复合材料、功能复合材料；按基体分：金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料；按添加体分：颗粒复合材料、纤维复合材料和层片复合材料。四、复合材料的研究集中在：界面研究和可靠性研究五、复合材料的加工技术主要有：粉末冶金技术、液相复合技术和其它技术。08Al钢板Al-20Sn合金层轴瓦图1-1钢-Al-20Sn复合板及轴瓦钢－Al-20Sn复合板简介优良的轴瓦材料，适用于汽车、机械、航空航天等广泛领域，需求量很大。我们进行的研究工作目前典型的成形方法Al-20Sn合金板钢板轧机钢-Al-20Sn复合板图1-2固固相轧制成形方法Sn分布均匀；工艺复杂、能耗大；界面形成机械咬合和部分物理结合，结合强度低，40MPa，应用越来越受到限制。图1-3固固相复合界面工艺简单，能耗小；界面形成冶金结合，结合强度大，60MPa；符合材料发展方向，其研究占主导地位。钢板轧机钢-Al-20Sn复合板图1-4固液相铸轧成形方法浇嘴Al-20Sn合金液固液相成形存在的问题1）Al-20Sn覆层内存在Sn分布不均2）界面脆化Al和Sn的密度与熔点差别较大，造成合金液中Sn沉淀，所以产生Sn分布不均现象。铁铝化合物层使复合界面脆化，复合板的结合强度没有达到其应有的水平。铁铝化合物层图1-5界面层图1-6理想的界面层图1-7脆化的界面层钢板轧机浇嘴Al-20Sn半固态浆料图1-8半固态铸轧成形装置钢-Al-20Sn复合板预热装置我们采用的方法复合界面结构图1-9典型的复合界面（fs=34%）复合界面由位于钢基内的1、2和3区构成，1和3区与覆层中后生固相相接触，由铁铝化合物构成；2区与覆层中的初生固相相接触，由含铝量小于3.5%的铁铝固溶体，构成；因此钢－半固态Al-20Sn复合界面是由铁铝化合物和铁铝固溶体交替构成的新型结构。当固相率为34.3%，复合板界面剪切强度最大为70.2MPa，这比固液相复合板的提高了10MPa。Al-20Sn熔体预处理钢板预热装置复合板振动装置浇嘴浇嘴上盖图1-10高频振动复合成形高频振动空化效应产生的“均匀分散”、“促进润湿”和“净化表面”等特性来消除Al-20Sn覆层中Sn的偏析和实现熔体与钢板迅速铺展、贴紧，改善钢板与Al-20Sn覆层的结合，获得界面结合强度高、润滑性能好的钢－Al-20Sn复合板第二章纳米科学内容：介绍纳米科学的基本情况，包括纳米技术的基本概念、特点、加工技术等内容。§2.1纳米科学的基本概念、特点二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化。二十世纪八十年代以来，由于发明了扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术，为纳米级微粒的结构、形态和特性的研究提供了保障，因此纳米科学如雨后春笋般茁壮成长起来。2.1.